Dobór materia³ów elementów pary tr¹cej spe³niaj¹cych za³o¿one kryteriaspe³niaj¹cych za³o¿one kryteria

Aby spe³nione zosta³y za³o¿one kryteria, nale¿y poszukiwaæ materia³u spe³niaj¹cego wymagania dla elementu pierwszego (rys. 6.1) wœród stopów metali, a materia³u spe³nia-j¹cego wymagania dla elementu drugiego (rys. 6.1) wœród np. twardych pow³ok pocho-dzenia ceramicznego. Zgodnie z opisami zaprezentowanymi w poprzednich rozdzia³ach

mog¹ byæ one zaliczone do pow³ok o ma³ej wartoœci sk³adowych dyspersyjnej γ_Sd i polarnej

γ_Sp lub odpowiednio Lifshitza–van der Waalsa γ_SLW i kwasowo-zasadowej γ_SAB swobodnej

energii powierzchniowej. Przyczyn¹ tego stanu rzeczy jest sk³ad chemiczny tych mate-ria³ów i charakter wi¹zañ miêdzycz¹steczkowych.

Przedstawiony dalej sposób doboru materia³ów pary tr¹cej zosta³ zaprezentowany na przyk³adzie materia³ów, które z za³o¿enia s¹ u¿ywane do konstruowania par tr¹cych pracuj¹cych w skrajnie trudnych warunkach w silniku spalinowym. Na element pier-wszy u¿yto materia³ dla konstrukcji tulei cylindrowych. Na element drugi u¿yto mate-ria³ dla konstrukcji pierœcieni t³okowych. Wymagania wytrzyma³oœciowe omówione w poprzednich rozdzia³ach, narzucaj¹ stosowanie okreœlonych materia³ów na oba te ele-menty. Wymagane zmiany zwil¿alnoœci, opisane za pomoc¹ wybranych sk³adowych swobodnej energii powierzchniowej, mog¹ zostaæ osi¹gniête w wyniku zastosowania pow³ok lub dokonania zmian w warstwie wierzchniej obu tych elementów.

6.1.1. Dobór materia³u elementu pierwszego

Zgodnie z za³o¿eniami sformu³owanymi na pocz¹tku rozdzia³u materia³em je

spe³niaj¹cym jest materia³ odznaczaj¹cy siê du¿¹ wartoœci¹ sk³adowej dyspersyjnej γ_Sd

lub Lifshitza–van der Waalsa γ_SLW swobodnej energii powierzchniowej z mo¿liwie

ogran-iczeniem wystêpowania sk³adowej polarnej γ_Sp lub kwasowo-zasadowej γ_SAB oraz du¿¹

twardoœci¹. Jest to zwi¹zane z charakterem pracy elementów przyk³adowej pary tr¹cej oraz temperatur¹ pracy. Temperatura pracy tej pary tr¹cej w realnych warunkach jest równa oko³o 400–620 K. Ze wzglêdu na zmniejszanie siê ze zwiêkszeniem temperatury tych oddzia³ywañ [198] oraz apolarnoœci¹ oleju smaruj¹cego [25], korzystne jest ogra-niczenie do minimum sk³adowej polarnej lub kwasowo-zasadowej zarówno elementu pier-wszego, jak i drugiego.

61

W dalszej czêœci ze wzglêdu na podobieñstwo oddzia³ywañ, opisanych w rozdziale 2,

skupiono uwagê na sk³adowej dyspersyjnej γ_Sd. Zgodnie z danymi zawartymi w pracy

Drzyma³y [24] materia³em o bardzo du¿ej wartoœci sk³adowej dyspersyjnej γ_Sd jest

z³o-to, dla którego ma ona wartoœæ 221,7 mN/m. Równie du¿e wartoœci prezentuje rtêæ i srebro. Spoœród metali konstrukcyjnych najodpowiedniejszym jest ¿elazo i jego stopy powszechnie stosowane do konstrukcji elementów maszyn, w tym przyk³adowej tulei cylindrowej. Wartoœæ sk³adowej dyspersyjnej swobodnej energii powierzchniowej dla ¿elaza metalicznego obliczona wg wzoru (2.31), metod¹ opart¹ na sta³ej Hamakera,

wy-nosi: γ_Sd = 103,3 mN/m. Zastosowanie czystego ¿elaza jest niecelowe ze wzglêdu na jego

gorsze w³aœciwoœci wytrzyma³oœciowe. Aby osi¹gn¹æ zamierzone w³aœciwoœci wytrzy-ma³oœciowe, celowe jest zastosowanie stopów ¿elaza.

Typowym materia³em stosowanym na tuleje cylindrowe jest ¿eliwo szare wzboga-cone dodatkami stopowymi, które jest obecnie u¿ywane na tuleje cylindrowe wytwa-rzane metod¹ odlewania. Przyk³adowo mo¿e to byæ ¿eliwo oznaczone wg PN-EN 1560 jako EN-GJL-200. Ma ono strukturê perlityczn¹ z drobnymi p³atkami grafitu równo-miernie roz³o¿onymi w osnowie. Sk³ad jego jest nastêpuj¹cy: wêgiel C = 3,3%, krzem Si = 1,3%, fosfor P = 0,5%, wapñ Ca = 0,1% [39].

Zamierzeniem autora by³o równie¿ zapewnienie odpowiednio du¿ej jego twardoœci, zw³aszcza powierzchni wspó³pracuj¹cej z drug¹ powierzchni¹ w obecnoœci oleju sma-ruj¹cego. W zwi¹zku z tym rozpatrzono mo¿liwoœæ utwardzenia warstwy wierzchniej drog¹ odpowiedniej obróbki cieplno-chemicznej. Niezbêdnym warunkiem jest w miarê

mo¿liwoœci zwiêkszenie wartoœci sk³adowej dyspersyjnej γ_Sd swobodnej energii

po-wierzchniowej. Mo¿liwym procesem cieplno-chemicznym prowadz¹cym do utwardze-nia warstwy wierzchniej, z jednoczesnym zwiêkszeniem wartoœci sk³adowej

dyspersyj-nej γ_Sd swobodnej energii powierzchniowej, jest proces azotowania [39, 46].

Wpraw-dzie azot zgodnie z rozwa¿aniami przeprowadzonymi w rozdziale 2 powoduje, ju¿ w niewielkim procentowo dodatku, zmniejszenie ca³kowitego napiêcia powierzchnio-wego metali w stanie ciek³ym, jednak sta³e azotki ¿elaza odznaczaj¹ siê du¿ymi

warto-œciami sta³ej Hamakera A₁₁ [24]. To oznacza, ¿e pojawienie siê azotu w warstwie

wierzch-niej ¿eliwa EN-GJL-200 spowoduje zwiêkszenie sk³adowej dyspersyjnej swobodnej ener-gii powierzchniowej tego cia³a sta³ego. Azotowanie powoduje wprowadzenie w

war-stwie wierzchniej do g³êbokoœci 50–70 µm azotu w formie azotku ¿elaza Fe₄N lub

in-nych azotków w przypadku stali stopowych. Dla ¿eliwa EN-GJL-200 bêdzie to w³aœnie azotek ¿elaza. Mo¿liwa iloœæ tego zwi¹zku w warstwie wierzchniej jest równa oko³o 4,5%. Najistotniejsze w tym przypadku jest jednak znaczne zwiêkszenie twardoœci ¿eli-wa EN-GJL-200 z oko³o 260 HV do 800 HV po procesie azoto¿eli-wania, a wiêc i zwiêk-szenie jego swobodnej energii powierzchniowej oraz sk³adowej dyspersyjnej.

6.1.2. Dobór powierzchni elementu drugiego

Zgodnie ze sformu³owanymi zapisami, powierzchnia elementu drugiego powinna charakteryzowaæ siê ma³¹ wartoœci¹ sk³adowej dyspersyjnej swobodnej energii

wierzchniowej γ_Sd lub Lifshitza–van der Waalsa γ_SLW, z mo¿liwie ograniczeniem

wystêpo-wania sk³adowej polarnej γ_Sp lub kwasowo zasadowej γ_SAB. Jak wspomniano,

poszu-kiwanie odpowiedniego materia³u powierzchni prowadzono, zak³adaj¹c, ¿e odpowie-dni¹ twardoœæ oraz swobodn¹ energiê powierzchniow¹ mo¿na znaleŸæ dla materia³ów pochodzenia ceramicznego, z których wykonuje siê twarde pow³oki przeciwzu¿yciowe. Szczególn¹ uwagê autora zwróci³y pow³oki nak³adane metodami fizycznego osadzania z fazy gazowej (PVD). Pow³oki te odznaczaj¹ siê du¿¹ mikrotwardoœci¹ oraz ma³ym wspó³czynnikiem tarcia. S¹ to pow³oki oparte na azotkach metali. Wœród nich azotek tytanu oraz wêgloazotek tytanu. Zamieszczono krótki opis pow³ok wykonanych z azot-ku tytanu metod¹ wspomaganego plazm¹ fizycznego osadzania z fazy gazowej (PAPVD) oraz opis metody osadzania.

Wybran¹ metod¹ ze wzglêdu na dostêpnoœæ i powtarzalnoœæ w³aœciwoœci uzyskanych pow³ok jest odparowanie impulsowo-plazmowe z fazy gazowej. Polega ona na odparo-waniu ze stanu sta³ego, umieszczonej centralnie w generatorze plazmy, elektrody wy-konanej z materia³u pow³okowego w wyniku silnopr¹dowego (100 kA) impulsowego roz³adowania baterii kondensatorów o napiêciu 1÷10 kV. Szczegó³owy opis zamieszczono w pracach [13, 36, 166, 197]. Czas ogrzewania pod³o¿a plazm¹ (stanowi¹c¹ wysokody-spersyjny aerozol, np. azotku tytanu) o temperaturze 2000 K jest krótszy od 100 µs i powoduje przyrost temperatury z prêdkoœci¹ 107 K/s, a prêdkoœæ ch³odzenia w war-stwie wierzchniej elementu, wywo³ana odp³ywem ciep³a do pozosta³ej masy elementu, jest równa 105 K/s. Czas miêdzy odparowaniami jest równy 5 s. Dziêki temu, ¿e czas ogrzewania pod³o¿a jest tak krótki, a zarodki krytyczne zawarte w aerozolu tak ma³e (ok. 1 nm), ¿e wykazuj¹ ruch po pod³o¿u, temperatura pod³o¿a nie przekracza 500 K, przy tym adhezja pow³oki do pod³o¿a jest odpowiednio du¿a [108]. Sterowanie proce-sem odbywa siê za pomoc¹ zewnêtrznego lub w³asnego pola magnetycznego.

Pow³oki osadzane metodami PAPVD charakteryzuj¹ siê znaczn¹ zmiennoœci¹ sk³a-du chemicznego, co wywo³uje zmiany rodzaju wi¹zañ i struktury metalograficznej [11, 47]. Zwi¹zki tworz¹ce te pow³oki s¹ niestechiometryczne, a koncentracja defektów do-chodzi do 50% atomowych. Identyfikacja sk³adu pow³oki mo¿e odbywaæ siê drog¹ ana-lizy spektrograficznej [182]. Struktura warstwy osadzanej metodami PAPVD jest

wy-raŸnie wielofazowa. Sk³ad fazowy warstw Ti–N obejmuje: δ-TiN, ε-Ti₂N oraz α-Ti.

Twardoœæ pow³oki jest œciœle zwi¹zana z jej sk³adem chemicznym i fazowym. W pracy [6] stwierdzono, mimo ¿e twardoœæ TiN wg tablic jest równa oko³o 2300 HV, to uzy-skane twardoœci pow³oki mog¹ byæ od 1600 HV do 3400 HV. W pow³oce napotyka siê cz¹stki powsta³e z substratów, których trwa³oœæ okreœla energia wi¹zania. W przypadku

otrzymywania pow³ok z azotku tytanu tworz¹ siê Ti₂N, Ti₂N + TiN oraz czysty TiN.

Wystêpuj¹ce w pow³oce wi¹zania maj¹ charakter metaliczny (M), kowalencyjny (K) lub jonowy (J). Brak w niej wi¹zañ czystej postaci [52, 129]. Przewa¿aj¹ wi¹zania mie-szane, tworz¹ce z³o¿one kombinacje; metal–metal, metal–niemetal, niemetal–niemetal. Poszczególne rodzaje wi¹zañ wykazuj¹ odmienne w³aœciwoœci. Wœród nich najbardziej

63

uniwersalne w³aœciwoœci (mo¿liwoœæ najszerszego stosowania w praktyce) maj¹ pow³oki o wi¹zaniu metalicznym (M) [11]. Wykazuj¹ one œredni poziom twardoœci, ma³¹ kru-choœæ, du¿¹ temperaturê topnienia, œredni¹ stabilnoœæ i wspó³czynnik rozszerzalnoœci liniowej, du¿¹ adhezjê do pod³o¿a i reaktywnoœæ w porównaniu do materia³ów o wi¹za-niu kowalencyjnym i jonowym [12]. Ze wzglêdów tribologicznych w³aœciwoœci azotku tytanu s¹ poœrednie pomiêdzy trzema rodzajami wi¹zañ, zajmuj¹c œrodkowe po³o¿enie w klasyfikacji twardych materia³ów zgodnie z charakterem ich wi¹zañ [11, 52]. W

szcze-gólnoœci gêstoœæ TiN jest równa 5,40 g/cm3, temperatura topnienia jest równa: 3223 K,

twardoœæ wynosi: 2300 µHV [184], modu³ Younga E = 590·103 MPa, wspó³czynnik

rozszerzalnoœci liniowej jest równy 9,4·10-6 K-1, wspó³czynnik przewodzenia ciep³a λ_m =

28,9 W/mK. TiN charakteryzuje siê ma³ym powinowactwem do materia³ów wspó³pra-cuj¹cych, a ze wzglêdu na ma³¹ kruchoœæ zachowuje dobre w³asnoœci przeciwzu¿ycio-we w przypadku zmiennych obci¹¿eñ [160, 163]. Pow³oki z azotku tytanu wykazuj¹ du¿¹ odpornoœæ na utlenianie w temperaturze do oko³o 720–770 K. Przekroczenie tych tem-peratur powoduje powolne utlenianie pow³ok. Temtem-peratura 820 K powoduje utlenienie pow³oki z TiN gruboœci 3–4 µm, w atmosferze zawieraj¹cej dwutlenek wêgla, w ci¹gu oko³o 10 000 godzin [110, 111, 122]. Temperatura pierœcienia t³okowego nie przekra-cza we wspó³czesnych silnikach 620 K, w zwi¹zku z tym nie ma obawy o utlenienie naniesionej pow³oki.

6.2. Obliczenia wartoœci swobodnej energii powierzchniowej